Plant invaders open opportunities for novel ecosystems under climate stress

Titelangaben

Vetter-König, Vanessa:
Plant invaders open opportunities for novel ecosystems under climate stress.
Bayreuth , 2024 . - IV, 211 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006402

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Abstract

The ecological novelty phenomenon (sensu Kueffer 2014) is driven by the human-induced rapid environmental changes of the Anthropocene and comprises novel organisms (e.g. non-native species; sensu Jeschke et al. 2013) as well as the emergence of novel ecosystems (sensu Hobbs et al. 2009). Novel ecosystems are systems with a new combination of species that differ in their composition, function, and/or appearance from present and historic systems (sensu Landres et al. 1999). Global change drivers like climate change and the invasion by non-native species may negatively affect native ecosystem stability and functioning and thus, either lead to severe degradations of ecosystems or to the enhanced emergence of novel ecosystems. Both is of scientific and conservation concern as this process is often accompanied by a reduction in ecosystem services and biodiversity, which in turn negatively affects society.
With the five manuscripts presented in this thesis, I contribute to the understanding of the drivers of novel ecosystems: i) the performance of invasive plants under various environmental conditions, ii) their interaction with extreme weather events, iii) their impact on native plant communities, iv) the estimation of their likely spread under climate change conditions, and v) the interaction of invasive plants and extreme weather events on the diversity-stability relationship of native plant communities. Thus, this thesis contributes to the understanding of invasion processes, disturbance ecology and implicitly community assembly. I use a versatile approach that combines experiments with data recording in the field as well as species distribution modelling.
Plant invaders, ecosystem engineers (such as Lupinus polyphyllus and Lupinus nootkatensis) and non-native species which have not previously been labeled as ecosystem engineers (such as Senecio inaequidens and Verbascum thapsus), will certainly open opportunities for the emergence of novel ecosystems under climate stress. Invaders are able to germinate under a broad range of climatic conditions (manuscript 1), enabling the species to successfully establish themselves even under an uncertain range of future climate conditions. Seeds from different source regions (proveniences, ecotypes) cover a broader range of climatic conditions in native ranges and could therefore increase invasiveness in target regions. Invaders show a relatively better performance under combined drought and competition effects than common native grassland species of Europe (manuscript 2, 4). Especially invaders from warm origins (like Senecio inaequidens) may profit from a drier future climate in Europe. Habitat suitability for the two legume ecosystem engineers is projected to increase under future climate change scenarios (manuscript 3, 5). Consequently, the spreading of invaders into the impacted native communities of adjacent ecosystems may be facilitated by the disturbance caused due to extreme drought events. Therefore, the transformation of natural into novel ecosystems could progress faster and without direct human intervention under future climate warming. Both invader types are able to influence the recovery of native species communities and thus, further promote the formation of novel ecosystems under climate stress in addition to their sheer presence. The invasive legumes are able to change species richness and composition as well as the nutrient pool of the invaded habitats (manuscript 5), two effects that very likely lead to the formation of novel ecosystems.
The emergence of novel ecosystems due to invader presence can have very different implications reaching from loss of biodiversity (Lupinus nootkatensis in species-rich heathland-ecosystems of Iceland; manuscript 5) and a deterioration of the diversity-stability relationship (Lupinus polyphyllus in semi-natural biodiversity-rich European grasslands; manuscript 4) to the increase of biodiversity in highly degraded ecosystems (Lupinus nootkatensis in Iceland; manuscript 5). Invasive legume ecosystem engineers impact and change native ecosystem services (e.g. productivity, habitat provisioning, fodder), but also provide new ecosystem services (e.g. stabilization and improvement of soils). Whether those services are perceived “positive” or “negative” depends on the affected habitat. The novel ecosystems considered in this thesis show a reduction in biodiversity compared to native ecosystems of the same successional stage (manuscript 5), and thus, may contribute to global homogenization and species loss. Summing up, this thesis confirms that invasive species and extreme climatic events will work as catalysts for the emergence of novel ecosystems, individually but especially when global change drivers act in synchrony.
Based on the result of this thesis, I suggest the design for a new global experiment (chapter 6) which tests the formation of novel ecosystems under the combined pressures of invasive species and extreme drought events. These globally distributed invader case studies provide new insights into invader impact, susceptibility of native communities (to invasive species and extreme drought events), community assembly rules, spatial and temporal resistance and recovery trajectories of grasslands. The data and results collected in this experiment will inform science/ecology and conservation as well as may be further used to model and project species distributions and ecosystem regime shifts.

Abstract in weiterer Sprache

Das Phänomen der ökologischen Neuheiten (sensu Kueffer et al. 2014) wird durch die vom Menschen verursachten raschen Umweltveränderungen des Anthropozän vorangetrieben und umfasst sowohl neuartige Organismen (z.B. nicht-heimische Arten; sensu Jeschke et al. 2013) als auch die Entstehung von neuen Ökosystemen (sensu Hobbs et al. 2009). Neuartige Ökosysteme sind Systeme mit einer neuen Kombination von Arten, die sich in ihrer Zusammensetzung, Funktion und / oder Erscheinungsform von gegenwärtigen und historischen Systemen unterscheiden (sensu Landres et al. 1999). Der globale Wandel mit Triebfedern wie dem Klimawandel und der Invasion nicht-heimischer Arten kann die Stabilität und Funktionsweise heimischer Ökosysteme negativ beeinflussen und somit entweder zu einer Veränderung der Ökosysteme oder zur verstärkten Entstehung neuer Ökosysteme führen. Beides ist von wissenschaftlicher und naturschutzfachlicher Bedeutung, da dieser Prozess häufig mit einer Verringerung der Ökosystemdienstleistungen sowie der biologischen Vielfalt einhergeht, was sich wiederum negativ auf die Gesellschaft auswirken könnte.
Mit den fünf in dieser Arbeit vorgestellten Manuskripten trage ich zum Verständnis der ursächlichen Entstehung neuartiger Ökosysteme bei: i) der Leistung invasiver Pflanzen unter verschiedenen Umweltbedingungen, ii) ihrer Interaktion mit extremen Wetterereignissen, iii) ihrer Auswirkung auf einheimische Pflanzengemeinschaften , iv) die Abschätzung ihrer wahrscheinlichen Ausbreitung unter zukünftigen Klimabedingungen sowie v) das Zusammenwirken invasiver Pflanzen und extremer Wetterereignisse auf die Diversitäts-Stabilitäts-Beziehung einheimischer Pflanzengemeinschaften. Somit trägt diese Arbeit zum Verständnis von Invasionsprozessen, der Störungsökologie sowie implizit der Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften bei. Ich verwende hierzu einen vielfältigen Ansatz aus Experimenten, Erhebung von Felddaten und Modellierung.
Invasive Pflanzenarten, Ökosystemingenieure (wie Lupinus polyphyllus und Lupinus nootkatensis) und nicht-einheimische Arten, die zuvor nicht als Ökosystemingenieure eingestuft wurden (wie Senecio inaequidens und Verbascum thapsus), werden sehr wahrscheinlich zur Entstehung neuartiger Ökosysteme unter Klimastress führen. Die Invasoren waren in der Lage unter den verschiedensten klimatischen Bedingungen zu keimen und können sich dadurch vermutlich auch unter ungewissen zukünftigen Klimabedingungen erfolgreich etablieren (Manuskript 1). Da Samen aus verschiedenen Herkunftsgebieten (Provenienzen, Ökotypen) eine größere Klimabandbreite abdecken und dadurch zu einer höheren Invasivität führen können, sollte deren Einfuhr vermieden werden. Zudem zeigten die untersuchten invasiven Arten unter kombinierten Dürre- und Konkurrenzbedingungen eine relativ bessere Leistung als die einheimischen Grünlandarten (Manuskript 2, 4). Insbesondere invasive Arten aus warmen Herkunftsgebieten (wie Senecio inaequidens) können von den zunehmend trockeneren klimatischen Bedingungen in Zentraleuropa profitieren. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die Lebensraumeignung der beiden in dieser Arbeit untersuchten Leguminosen-Ökosystemingenieure unter zukünftigen Klima-Szenarien zunimmt (Manuskript 3, 5). Die Ausbreitung invasiver Arten in benachbarte Ökosysteme wird aufgrund der Störung der einheimischen Gemeinschaften durch extreme Dürreereignisse in Zukunft wohl erleichtert. Daher könnte die Umwandlung von natürlichen in neue Ökosysteme aufgrund der Klimaerwärmung in Zukunft schneller und ohne direkten menschlichen Eingriff vonstatten gehen. Beide Invasorentypen sind in der Lage, die Erholung einheimischer Artengemeinschaften zu beeinflussen und somit die Bildung neuer Ökosysteme unter Klimastress zusätzlich zu ihrer bloßen Präsenz zu fördern. Die invasiven Leguminosen sind in der Lage, Artenreichtum und Artenzusammensetzung sowie den Nährstoffhaushalt der betroffenen Lebensräume zu verändern (Manuskript 5). Aufgrund dieser beiden Faktoren wird die Ansiedlung dieser Arten höchstwahrscheinlich zur Bildung neuer Ökosysteme führen.
Die Entstehung neuer Ökosysteme aufgrund der Anwesenheit von invasiven Pflanzenarten kann sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die betroffenen Systeme haben, die vom Verlust der biologischen Vielfalt (z.B. Lupinus nootkatensis in artenreichen Heidelandschaften Islands; Manuskript 5) über eine die Verschlechterung der Diversitäts-Stabilitäts-Beziehung (z.B. Lupinus polyphyllus in artenreichem halbnatürlichem Grünland in Europa; Manuskript 4) bis hin zur Zunahme der biologischen Vielfalt (hier Artenreichtum) in stark degradierten Ökosystemen (z.B. Lupinus nootkatensis in Island; Manuskript 5) reichen. Invasive Ökosystemingenieure, hier die Lupinen, beeinflussen und verändern native Ökosystemdienstleistungen einheimischer Systeme (z.B. Produktivität, Bereitstellung von Lebensräumen, Futter), führen aber gleichzeitig auch zur Entstehung neuer Dienstleistungen (z.B. Stabilisierung und Verbesserung von Böden). Ob diese Dienstleistungen als „positiv“ oder „negativ“ wahrgenommen werden, hängt vom betroffenen Lebensraum ab. Die in dieser Arbeit betrachteten neuartigen Ökosysteme zeigen eine Verringerung der Artenvielfalt im Vergleich zu einheimischen Ökosystemen im selben Sukzessionsstadium (Manuskript 5) und können somit zur globalen Homogenisierung und zum Artenverlust beitragen. Zusammenfassend bestätigt meine Doktorarbeit, dass invasive Arten und extreme Klimaereignisse als Katalysatoren für die Entstehung neuer Ökosysteme fungieren, insbesondere, wenn beide Treiber des globalen Wandels synchron agieren.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Doktorarbeit, schlage ich den Entwurf eines neuen globalen Experiments vor (Kapitel 6), welches die Entstehung neuartiger Ökosysteme im Zusammenspiel von invasiven Arten und extremen Dürreereignissen untersucht. Basierend auf global verteilten Fallstudien können neue Erkenntnisse zu den Auswirkungen invasiver Arten, der Anfälligkeit einheimischer Pflanzengemeinschaften gegenüber invasiven Arten und Extremwetterereignissen, der Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften, sowie den räumlichen und zeitlichen Verlauf der Resistenz und Erholung von Grünland gewonnen werden. Die in diesem Experiment erhobenen Daten und Ergebnisse werden die Wissenschaft / Ökologie und den Naturschutz beeinflussen und können verwendet werden, um Artenverbreitungen sowie Zustandsänderungen von Ökosystemen zu modellieren und zu projizieren.